מגנט של חוש

מדי שנה, בין אוגוסט ליוני, נודדת שחפית הקוטב מרחק בלתי נתפס של כ-71 אלף קילומטר מהקוטב הצפוני לקוטב הדרומי – הרבה יותר מכל היקפו של כדור הארץ, שעומד על כ-40 אלף קילומטר. הציפור הקטנה, שמשקלה אינו עולה על 125 גרם, צולחת את מסלול הנדידה העונתית הארוך ביותר הידוע לנו כיום. יש שחפיות שעוברות במסען כמעט 700 קילומטר ביממה. אם ניקח בחשבון שתוחלת החיים שלהן עשויה להגיע לשלושים שנה, הרי שיש ביניהן פרטים שעשויים לעבור במהלך חייהם קילומטראז' של יותר משני מיליון קילומטר.

וכעת, עם יד על הלב – האם אתם הייתם מסתכנים ביציאה למסע מפרך כזה בידיעה שאינכם יכולים לקחת איתכם אף אמצעי ניווט אלקטרוני?

עדיין איננו יודעים בוודאות איך שחפית הקוטב מנווטת, כמו גם ציפורים נודדות נוספות, אם כי ברור שאין לה מכשיר GPS מתקדם. חוקרים מאמינים כי הציפורים משלבות מידע המגיע אליהן מכמה וכמה חושים, כגון מידע חזותי על הירח והכוכבים שמאפשר להן ליצור מעין מצפן פנימי. אפשרויות נוספות שהוצעו הן שציפורים מזהות נקודות ציון בנוף שעל פניו הן חולפות, או שהן מסתייעות לנדידתן בחוש הריח. בנוסף לכל אלה, חוש נוסף מציג בפנינו תעלומה בלתי פתורה – החישה המגנטית.

תעלומת החיישן

כבר כמה עשרות שנים ידוע שיש יצורים בעלי חישה מגנטית – למשל חיידקים, ציפורים, פרפרים, יונקים כמו היערון הקטן ואפילו פרות, שמסיבה לא ידועה נוהגות להתפזר בשדה לפי השדה המגנטי. למרות זאת, לא ברור עד כה מהו החיישן שאחראי על יכולת החישה המגנטית. כדי להבין כמה זה משונה, חישבו על חוש הריח – תארו לעצמכם שנדע שבני אדם מסוגלים לחוש ריחות ולהגיב להם, אך לא מהו האיבר בגוף שמאפשר את זה (האף), היכן הוא ממוקם (במרכז הפנים) ואיך הוא מאפשר לנו להגיב לריחות (על ידי קליטה של מולקולות ריח מהאוויר ושליחת אותות לאזור הריח במוח). והנה מסתובבים לצידנו יצורים חיים שמסוגלים לחוש את השדה המגנטי של כדור הארץ, ואין לנו מושג איך הם עושים את זה.

"רואים" את השדה המגנטי? אדום חזה | צילום: Tomatito, Shutterstock

שתי השערות עיקריות מציעות פתרון אפשרי לתעלומת החוש הנעלם. הראשונה גורסת שיש ליצורים הללו קולטן שמשנה את מבנהו המרחבי בהתאם לשינויים בשדה המגנטי. הקולטן מזהה את השדה באמצעות צבירים של אחת משתי תחמוצות ברזל אפשריות – מגנטיט (Fe3O4) או מגהמיט (γ-Fe2O3). שני אלה הם מינרלים בעלי מגנטיות חזקה, ולמעשה המגנטיט הוא המינרל המגנטי ביותר הידוע בכדור הארץ. צבירי המינרלים מגיבים לשדה המגנטי בשינוי סידורם המרחבי, ואולי מביאים כך לשינוי במבנה של חלבונים סמוכים, שיכול לעורר אות עצבי. כך, לכאורה, נוצרת התקשורת בין הקולטנים למוח. צבירים מגנטיים כאלה נמצאו בין השאר אצל חיידקים, דבורים ויונים, אך לא נמצאו ראיות לקיומם אצל רבים מבעלי החיים האחרים המסוגלים לחוש שדות מגנטיים. 

ההשערה השנייה נוגעת לפעילותם של חלבונים רגישים לאור שיש להם רדיקל חופשי – אלקטרון שאין לו בן זוג במסלולו סביב גרעין האטום שלו. היות שהמצב הזה אינו יציב כימית בדרך כלל, רדיקלים משתתפים בקלות יחסית בתגובות כימיות. לפי השערת "זוג הרדיקלים", כשחלבון רגיש לאור נחשף לאור באורך הגל המתאים, הוא חובר לחלבון נוסף בעל רדיקל חופשי ושניהם יחד יוצרים מבנה חלבוני אחד.

השדה המגנטי משפיע על אחת מתכונות האלקטרון, שנקראת ספין, והיא משפיעה בתורה על התגובתיות של המבנה החלבוני שנוצר. כלומר השדה המגנטי של כדור הארץ משפיע על האופן שבו המבנה החלבוני יפעל או לא יפעל בתוך התא שבתוכו הוא נמצא, וכך יכול ליצור אות שיגיע למערכת העצבים של היצור. לצמחים ולבעלי חיים רבים יש חלבונים נפוצים שנקראים קריפטכרומים (Cryptochromes) ומשמשים קולטנים לאור כחול. להלכה הם יכולים לממש את תפקיד החלבון הרגיש לאור בהשערת זוג הרדיקלים.

אחד החיזוקים להסבר הזה בא ממחקר שנעשה על ציפורי אדום חזה, שהראה כי החישה המגנטית של הציפורים הללו דרשה אור בתחום הכחול/ירוק ושקריפטוכרומים בעיני הציפורים תיווכו את קליטתו. עם זאת, קריפטוכרומים קיימים באיברים רבים של הציפורים וממלאים שם תפקידים אחרים שאינם קשורים לחישה מגנטית. על כן קשה לדעת באיזה איבר של הציפור נמצאים הקריפטוכרומים הקשורים לחישה המגנטית – אם בכלל יש כאלה.

מאפשר לחיידקים מסויימים לחוש בשדה מגנטי. מגנטיט, המינרל המגנטי ביותר הידוע בכדור הארץ, ומהדקי נייר | צילום: Alexandre Dotta / Science Source / Science Photo Library

המגנט החיידקי

אם כן, יש עדיין ערפל רב סביב האופן שבו בעלי חיים חשים את השדה המגנטי הסובב אותם. אך המצב שונה כשמדובר בחיידקים מגנטוטקטיים. החיידקים האלה התגלו לראשונה בשנת 1975, כשהחוקר ריצ'רד בלייקמור (Blakemore) הבחין בחיידקים שנעו בהשפעת השדה המגנטי המקומי. בדיקה מעמיקה גילתה לו שבנוזל התוך-תאי של החיידקים הללו יש בועיות מיקרוסקופיות המכילות מגנטיט, שמסתדרות בקו ישר לאורך השדה המגנטי בתוך החיידק. הבועיות הללו נקראות מגנטוזומים (Magnetosomes).

בשנת 2017 העלו אביתר נתן (Natan) מאוניברסיטת אוקספורד ויוני וורטמן (Vortman) מהמכללה האקדמית תל חי את האפשרות שיכולת החישה המגנטית של בעלי חיים נובעת למעשה מסימביוזה הדדית בינם לבין חיידקים מגנטוטקטיים, כלומר מסוג של יחסי גומלין ששני המינים מרוויחים מהם. ההשערה התקבלה בתגובות מעורבות, שכן אין די ראיות שיאפשרו לאושש או להפריך אותה – אך אותו דבר נכון במידה רבה גם לשתי ההשערות הוותיקות יותר, שלא אוששו לרוב בעלי החיים. 

במאמר שפרסמו ביוני השנה הסבירו וורטמן ונתן שהראיות שמעידות על חישה מגנטית של בעלי חיים באמצעות מגנטיטים או זוג רדיקלים אינן סותרות את השערת הסימביוזה עם חיידקים מגנטוטקטיים, ואף מחזקות אותה. לדוגמה, אף שמגנטיטים הדומים לאלה שיש לחיידקים מגנטוטקטיים נמצאו גם בגופם של בעלי חיים בעלי חישה מגנטית, הם לא נמצאו מעולם ברקמה עצבית כלשהי שמיוחס לה קשר ליכולת החישה המגנטית. על כן ייתכן שנחוצים לבעלי החיים חיידקים מגנטוטקטיים שיתווכו בין המגנטיטים לרקמה העצבית.

דוגמה נוספת באה מניסויים שהראו שציפורים זקוקות לאור באורך גל קצר כדי להסתדר בקבוצה ולעוף לפי השדה המגנטי – ממצא שחיזק את השערת זוג הרדיקלים. לטענת וורטמן ונתן, היות שגם יכולת החישה המגנטית של חיידקים מגנטוטקטיים מושפעת מחשיפה לאור, הממצאים האלה לא שוללים את האפשרות לקיומה של סימביוזה בין הציפורים לחיידקים מגנטוטקטיים. 

מתנגדי השערת הסימביוזה טוענים לעומת זאת שאין כל ראיה לקיומה של סימביוזה דומה בין יצורים המורכבים מתאים בעלי גרעין (אאוקריוטיים: קבוצה הכוללת את כל בעלי החיים הרב-תאיים והצמחים) לבין חיידקים מגנטוטקטיים. שנית, לא מוכרים מינים רבים של חיידקים מגנטוטקטיים, ויש מעט מאוד בעלי חיים שהתגלו ברקמותיהם חיידקים כאלה. בנוסף, לא ידוע כיום שום מנגנון שמאפשר תקשורת בין יצורים אאוקריוטים לחיידקים מגנטוטקטיים.

עם זאת, טכנולוגיות חדשות העלו בשנים האחרונות ממצאים שמעמידים את הטענות הללו בסימן שאלה. בשנת 2019 גילו הביולוגית קרולין מונטיי ועמיתיה פרוטיסטים – יצורים אאוקריוטים חד-תאיים, שמקיימים יחסים סימביוטיים עם חיידקים מגנטוטקטיים החיים במים. זאת הייתה הראיה הראשונה לאפשרות קיומה של סימביוזה בין החיידקים הללו ליצורים בעלי גרעין.

מחקר אחר, שפורסם ממש השנה אך עוד לא עבר ביקורת עמיתים, הראה כי כשנתנו אנטיביוטיקה לקָנִית קטנה, ציפור נודדת הנפוצה בישראל, תנועתה במרחב וכיווניות הטיסה שלה נפגעו. הממצא הזה משתלב היטב עם השערת הסימביוזה, שכן הגיוני להניח שבהיעדר החיידקים, שהאנטיביוטיקה קטלה, יכולת החישה המגנטית של הציפור תיפגע, אם היא אכן תלויה בסימביוזה עם החיידקים.

אחת ההשערות היא שבעלי חיים חשים שדה מגנטי בעזרת חיידקים. החיידק המגנטוטקטי Magnetospirillum magnetotaticum | צילום מיקרוסקופ אלקטרונים חודר: Dennis Kunkel Microscopy / Science Photo Library

היכן הם החיידקים?

עד לפני זמן לא רב סברו שאין בטבע הרבה חיידקים מגנטוטקטיים, אך ייתכן בהחלט שהקביעה הזאת נובעת מפערים מחקריים וטכנולוגיים, שמקשים עלינו לזהות אותם, ולא מכך שהם אינם קיימים. למשל ייתכן שהשיטות לגילוי החיידקים בדגימות אינן מדויקות מספיק.

כדי לבחון זאת עברו וורטמן ונתן על נתונים שנאספו ב-40 השנים האחרונות מיצורים חיים, ובחנו אם היו בהם חיידקים מגנטוטקטיים או חלבונים הקשורים למגנטוזום. כך הם זיהו 92 מינים של חיידקים מגנטוטקטיים. מאז שנות ה-80 מתגלים חיידקים מגנטוטקטיים חדשים בקצב הולך וגובר, שהגיע לשיאו בעשר השנים האחרונות, במקביל לעלייה המתמדת בקצב האיסוף של דגימות מהסביבה ופיתוח שיטות גנטיות מתקדמות לזיהוי חיידקים בהן. המגמה הזאת מעידה כנראה שקיימים עוד מינים רבים של חיידקים מגנטוטקטיים שלא התגלו עד כה ושעשויים להתגלות בעתיד. 

אך גם אם אכן קיימים מינים רבים של חיידקים מגנטוטקטיים, על מנת שתהיה סימביוזה בינם לבין בעל חיים זה או אחר הם צריכים להימצא ברקמות של בעל החיים. כדי לבחון זאת בדקו החוקרים מאגרי מידע גנטי שנצבר מאלפי דגימות שנאספו מבעלי חיים. ניתוח הנתונים חשף את נוכחותם של חיידקים מגנטוטקטיים ברקמות של חיות ימיות, זוחלים, יונקים ואפילו בני אדם.

מעניין לציין שאוכלוסיות החיידקים המגנטוטקטיים שנמצאו בדגימות הפינגווינים וצבי הים היו דומות, וכך גם אוכלוסיית החיידקים המגנטוטקטיים של העטלף והלווייתן (שניהם יונקים). כך שנראה שחיידקים מגנטוטקטיים אכן נוכחים בגופם של בעלי חיים רבים, ושיש דמיון בין האוכלוסיות שלהם אצל בעלי חיים קרובים. 

האם תיתכן תקשורת בין החיידקים לפונדקאים?

השאלה האחרונה שעולה היא כנראה הקשה ביותר למענה – אם נקבל את ההנחה, השנויה במחלוקת כאמור, שיש חיידקים מגנטוטקטיים שמקיימים סימביוזה עם בעל חיים כלשהו ומסייעים לו לחוש שדות מגנטיים, מהו המנגנון שמאפשר את העברת יכולת החישה הזאת מיצור ליצור? למעשה, היות שיכולת החישה המגנטית קיימת אצל בעלי חיים רבים ושונים מאוד אלה מאלה – חרקים, דגים, יונקים, ציפורים ועוד – לא מן הנמנע שקיימים כמה וכמה מנגנונים נפרדים לתיווך בין החיידקים לפונדקאים.

נורטמן ונתן הציעו ארבע דרכי תקשורת אפשריות בין החיידק לפונדקאי. הדרך הראשונה רלוונטית רק ליצורים חיים קטנים מאוד, למשל פרוטיסטים, בדומה לאלה שגילו מונטיי ועמיתיה. לפי השערתם, החיידקים המגנטוטקטיים יכולים לאותת לפרוטיסט הפונדקאי מהו כיוון השדה המגנטי באופן פיזי, על ידי הסידור שלהם במרחב. הפרוטיסט מזהה את הכיוון שבו החיידקים מסתדרים בתוכו וכך מתאים את עצמו לכיוון השדה המגנטי. 

ביצורים חיים גדולים יותר ייתכן שהסידור המרחבי של החיידקים המגנטוטקטיים באיברים שזה תפקידם מניע שרשרת של העברת אותות שמסתיימת במערכת העצבים של היצור. אפשרות שלישית היא שבעקבות שינויים בשדה המגנטי, החיידקים המגנטוטקטיים משחררים חומרים שנקלטים בתאי היצור הפונדקאי, כלומר החישה המגנטית נעשית על ידי תקשורת כימית בין תאי החיידקים לתאי הפונדקאי. 

ולבסוף, הדרך הרביעית שהם מציעים עשויה להסביר את החישה המגנטית של ציפורים כמו אדום חזה. וורטמן ונתן מעלים את האפשרות שהחיידקים המגנטוטקטיים נמצאים ממש בתוך העין של הציפורים ושהם מסתדרים ונעים בתוכה בכיוון השדה המגנטי. כשהציפור מזהה את התנועה בשדה הראייה שלה היא לומדת ממנה מהו כיוון השדה המגנטי ויודעת לכוון בעזרתו את כיוון מעופה. תורמת לכך העובדה שמאפייני מערכת הראייה של עופות אכן מאפשרים להם לזהות עצמים מיקרוסקופיים, בגודלם של החיידקים, כאשר הם נמצאים בתוך העין.

נחוצים כמובן ניסויים נוספים על מנת לבחון אם יש בסיס מציאותי למנגנונים המשוערים האלה ולגלות איך בעלי חיים באמת חשים את השדה המגנטי. כדי שיהיה אפשר לקבל את השערת הסימביוזה, יצטרכו החוקרים להראות שהחיידקים חיוניים ליכולת החישה המגנטית של בעלי החיים, וגם למצוא מהו האיבר בגופם שאחראי על יכולת החישה. אם אכן יימצאו ראיות לנכונותה של השערת הסימביוזה, לא תהיה זו הפעם הראשונה שהשערה שעוררה בתחילה ספקות כבדים תאושש בסופו של דבר.